專利名稱：對電池預(yù)測功率極限的確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池系統(tǒng)，且更具體而言涉及為電池系統(tǒng)確定功率輸送^L限。
背景技術(shù)：
電池系統(tǒng)可用于在各式各樣的應(yīng)用系統(tǒng)中提供電能。示例性傳輸應(yīng)用系 統(tǒng)包括混合動力電動汽車(HEV)、電動汽車(EV)、重型車(HDV)和具 有42伏特電力系統(tǒng)的汽車。示例性固定應(yīng)用系統(tǒng)包括用于電信系統(tǒng)的備份 電源、不間斷電源(UPS)和分布式發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)。
#1使用的電池類型的示例包括鎳氫電池(NiMH )、鉛酸電池和其他類型 的電池。電池系統(tǒng)可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)的多個電池分包(battery subpack )。電池分包可以包括并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的多個電池。
電池的固有屬性可以限定最小操作電壓規(guī)格(Vmin)和/或最大操作電壓
規(guī)格(V謹)。在某些應(yīng)用系統(tǒng)中，Vmin和V匪可以由工程師指定，并可以 其他標準為根據(jù)。當同時考慮Vmin和V隱時，V^和V腿指示為了最大化 電池的服務(wù)壽命而應(yīng)將電池電壓維持在內(nèi)的電壓范圍。V她和V匪還能推 斷出電池在放電過程中提供功率的能力和在充電過程中接受功率的能力的 限度。在諸如HEV的某些實施例中，電池功率的這些限度可能會周期性地
限制汽車的性能。例如，HEV控制系統(tǒng)可能會為了將電池電壓保持成高于
最小電池電壓Vn^而限制汽車的加速。HEV控制系統(tǒng)還可能會限制汽車的 再生制動功能，以保持電池電壓低于最大電池V,且由此維持某種再生制 動能力。
防止加速性能限制發(fā)生的 一種方法是用內(nèi)燃機來對電池輸送的功率進 行補給。然而這種方法引入了其他問題。例如，發(fā)動機可能在需要它時熄火。
在這種情形下，當HEV控制系統(tǒng)起動發(fā)動機時，汽車性能將仍然會在一個
較短的時間周期內(nèi)受限。
防止性能限制的第二種方法是保持發(fā)動機空轉(zhuǎn)，使得發(fā)動機總是可以對電池功率進行補給。然而，空轉(zhuǎn)發(fā)動機會浪費燃料，因此這并沒有提供理想 的解決方案。因此，仍然對預(yù)測電池功率極限和將補給電源與負載需求同步 存在需要。

發(fā)明內(nèi)容
一種與電池一起使用的電池控制模塊，包括測量電池電壓的電壓測量模 塊和測量電池電流的電流測量模塊。功率極限模塊與該電流和電壓測量模塊 通信，且在每個時間周期估算一次對應(yīng)于未來時間周期的電池電流極限。該 電池電流極限基于電池的預(yù)定電壓極限，還基于與未來時間周期之前的時間 周期相乂t應(yīng)的電池電流和電池電壓。
一種為負載供電的混合電源系統(tǒng)包括基于功率需求信號向負載提供功 率的第一電源、向該負載提供功率的可充電電池以及與該可充電電池通信的 控制模塊。該控制模塊包括測量電池電壓的電壓測量模塊、測量電池電流的 電流測量模塊以及與該電流和電壓測量模塊通信的功率極限模塊。該功率極 限模塊基于該電池的電池電流、電池電壓以及預(yù)定電壓極限估算電池電流極 限。該功率極限模塊基于電池電流極限產(chǎn)生功率需求信號。
一種用于控制從電池獲取的電流的方法包括測量電池電壓、測量電池 電流，以及周期性地估算對應(yīng)于未來時間周期且代表流經(jīng)該電池的最大允許 電池電流的電池電流才及限。該電池電流才及限基于該電池的測量出的電池電 流、測量出的電池電壓以及預(yù)定電壓^l限。
一種用于控制混合電源系統(tǒng)的方法包括操作第 一 電源以基于功率需求 信號向負載提供功率、從可充電電池向負載供給功率、測量該可充電電池的 電池電壓、測量該可充電電池的電池電流、周期性估算對應(yīng)于未來時間周期 且代表流經(jīng)該電池的最大允許電池電流的電池電流極限，以及基于估算出的 電池電流極限產(chǎn)生功率需求信號。該電池電流極限基于該電池的測量出的電 池電流、測量出的電池電壓和預(yù)定電壓才及限。
一種用于混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)(powertrain system)包括向 電動機提供功率以用于推動汽車的可充電電池、產(chǎn)生用于推動汽車的功率的 內(nèi)燃機、響應(yīng)于功率需求信號起動該內(nèi)燃機的發(fā)動機控制器，以及與該可充 電電池通信的控制模塊。該控制模塊包括測量電池電壓的電壓測量模塊、測 量電池電流的電流測量^t塊，以及與該電流和電壓測量模塊通信的功率極限
7模塊。該功率極限模塊周期性地確定對應(yīng)于未來周期且基于該電池電流和電 池電壓的電池電流極限。該功率極限模塊基于該電池電流極限產(chǎn)生功率需求 信號，使得發(fā)動機控制器在該未來周期之前起動內(nèi)燃機。根據(jù)下文所提供的詳細描述，本發(fā)明的其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊煤苊黠@。應(yīng) 當理解，盡管示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但詳細描述和特定示例僅旨在進 行說明，而并不旨在限制本發(fā)明的范圍。


才艮據(jù)詳細描述和附圖，能更加全面地理解本發(fā)明，附圖中圖l是包括電池分包、電池控制模塊和主控制模塊的電池系統(tǒng)的功能框圖。圖2是電池控制模塊的功能框圖。 圖3是電池的等效電路。圖4是用于預(yù)測電池的功率極限的方法的流程圖。 圖5是實際電池參數(shù)和預(yù)測電池參數(shù)的曲線圖。 圖6A-6C是混合動力電動汽車的功能框圖。 圖7是電池供電的補給電源的功能框圖。
具體實施方式
以下對優(yōu)選實施例的描述在本質(zhì)上僅是示例性的，而并不旨在以任何方 式限制本發(fā)明、本發(fā)明的應(yīng)用或用途。為清楚起見，附圖中使用相同的參考 標記來表示相同的元件。當在此使用時，術(shù)語模塊或設(shè)備表示專用集成電路 (ASIC)、電子電路、執(zhí)行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共享、專 用或成組的類型)和存儲器、組合邏輯電路，和/或提供所述功能的其他適當 組件。盡管將示出可用于預(yù)測電池的最大功率輸出的示例性系統(tǒng)，但本領(lǐng)域技 術(shù)人員將意識到可以使用其他系統(tǒng)?，F(xiàn)在參考圖1，所示電池系統(tǒng)10的示例 性實施例包括M個電池分包12-1、 12-2、...，和12-M(統(tǒng)稱為電池分包12)。電池分包12-1、 12-2..... 12-M包括N個串連的電池20-11、 20-12、...，和20-NM (統(tǒng)稱為電池20)。電池控制才莫塊30-1、 30-2、...，和30-M (統(tǒng) 稱為電池控制模塊30)分別與電池分包12-1、 12-2..... 12-M其中的每一8個相關(guān)聯(lián)。在某些實施例中，M等于2或3，不過也可以使用更多個分包或 更少個分包。在某些實施例中，N等于12-24,不過也可以使用更多個和/或 更少個電池。電池控制模塊30感測電池分包12兩端的電壓和電池分包12所提供的 電流。備選地，電池控制模塊30可以監(jiān)控電池分包12中的一個或多個獨立 的電池20，以及執(zhí)行適當?shù)某叨日{(diào)節(jié)和/或調(diào)整。電池控制模塊30利用無線 和/或有線連接與主控制模塊40通信。主控制模塊40 /人電池控制模塊30接 收功率極限且產(chǎn)生總的功率極限?？梢詾槊總€模塊、成組的模塊和/或所有模 塊計算SOC。在某些實施例中，電池控制模塊30可以與主控制模塊40整合 在一起?，F(xiàn)在參考圖2，示出了電池控制模塊30的某些元件。電池控制模塊30 包括對電池分包12和/或電池分包12中的一個或多個獨立電池20的電池電 壓和/或電流進行測量的電壓和/或電流測量模塊60。電池溫度感測模塊62 測量電池分包12內(nèi)至少一處的溫度。電池充電狀態(tài)(SOC)模塊64周期性 地判斷電池分包12內(nèi)的電池20的SOC。 SOC模塊64可以采用查找表66、 />式和/或其他方法來判斷SOC。如下面進一步描述的，功率極限模塊68為電池分包12和/或電池分包 12中的一個或多個電池20預(yù)測最大電流極限IUM、電池電壓^f及限VuM和/ 或功率極限PuM。接觸器控制模塊70控制與電池分包12中的電池20的控 制和/或連接相關(guān)的一個或多個接觸器(未示出)。時鐘電路72為電池控制模 塊30內(nèi)的一個或多個;f莫塊產(chǎn)生一個或多個時鐘信號?，F(xiàn)在參考圖3，示出了電池20的等效電路。電阻器Ro代表電池的歐姆 電阻，電壓Vp代表極化電壓(polarization voltage )，電壓V。代表開路電壓 或馳豫電壓，電流I代表電池電流，而電壓V代表電池電壓。V和I是測量 值，Rp隨溫度、施加電流的周期和SOC而變化。Vo和Ro主要隨著SOC而 變化。當電流I是穩(wěn)定狀態(tài)時，Vp等于測量電流I乘以Rp。對于電池20， 使用等效電路和基爾霍夫電壓定律，V = VQ + VP + IRo。現(xiàn)在參考圖4，示出了用于預(yù)測電池性能極限的方法400的流程圖。方 法400可以實施為存儲在與計算機相關(guān)的計算機存儲器中的計算機程序。該 計算機和計算機存儲器可以被包括在功率極限模塊68中。方法400可以在 每次開啟電池系統(tǒng)10時開始執(zhí)4亍。控制操作開始于起始框402且進行到方框404。在方框404中，控制操 作將Vp的初值置為O。控制梯:作然后進行到方框406，且將循環(huán)計數(shù)器i的 初值置為-1?？刂撇僮魅缓筮M行到判決框408，且判斷循環(huán)周期T是否已經(jīng) 過去。循環(huán)周期T判斷方框410-420的執(zhí)行周期。如果循環(huán)周期T沒有過去， 則控制操作再次進入判決框408,以等待下一循環(huán)周期的開始。循環(huán)周期是 否過去可以從時鐘72判斷出。循環(huán)周期T的示例值為100ms，然而，本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)當意識到可以使用其他時間周期?？刂七^程分支到方框410， 且當判斷開始新的循環(huán)周期T時將循環(huán)計數(shù)器i加1?？刂茝姆娇?10進行到方框412，且基于下面的等式來將運行的平均電池電壓Vavgi更新Vavgi = [Vavg(i隱！) + K(V廣Vavg("))]其中0^KS1， Vj是對應(yīng)于循環(huán)計數(shù)i的測量電池電壓V,而Vavg(w)是 對應(yīng)于前一個循環(huán)周期的運行平均電壓。運行平均電池電壓Vavg可用作馳豫 電壓Vo的近似?？刂撇僮鲝姆娇?12進行到方框414，且基于下面的等式預(yù)測電池電流 極限Ilim:lLIM=(VLlM-VaVgi-Vpi)/Ro其中V固指電池的所選操作電壓極限，且Vpi是與循環(huán)計數(shù)相對應(yīng)的極 化電壓Vp的值。VuM的值可以是電池20的最小操作電壓規(guī)格(Vmin)和最 大操作電壓規(guī)格(Vmax)之一?？刂撇僮魅缓筮M行到方框416,且基于下面 的等式更新極化電壓Vp:Vpi = Vp(i—" + (IuMRp-Vp(i.D) |1| T/t其中Rp可以基于電池溫度和/或電池SOC從查找表66中估算出，Vpw) 是對應(yīng)于前一個循環(huán)周期的極化電壓Vp,而i;是基于電池電壓V和電池電 壓極限VUM而實驗性判斷出的時間常數(shù)?？刂撇僮鲝姆娇?16進行到方框418,并基于下式確定出預(yù)測電池功率 板限Plm，Plim = Ilim Vlm控制操作然后進行到方框420,且向主控制模塊40傳送Pum和/或Ilm植。應(yīng)當意識到，PuM和IuM的值與所選的電池電壓極限VuM相對應(yīng)。方法400 因此可用于為Vmin和V匪的對應(yīng)值維持Pum和ILIM的值。主控制沖莫塊40可以使用Pum和/或IuM值以在電池電壓V違反所選的電10池電壓極限VuM之前采取適當?shù)男袆?。例如，在混合動力電動汽車中，?VuM被設(shè)置成等于Vmin時，主控制模塊40可以在電池電壓V降到電池電壓 極限VLIM以下之前起動汽車發(fā)動機來給電池以輔助?，F(xiàn)在參考圖5，樣點曲線圖(sample plot)示出了對預(yù)測的電池電壓功 率極限PUM和電池輸送的實際功率的比較。樣點曲線圖取自在電池20和內(nèi) 燃機之間共享負載功率的混合動力汽車應(yīng)用情況。水平軸500表示時間，以 秒為單位。左垂直軸502代表電池功率。左垂直軸502的上半部分代表電池 20從該負載吸收或再生功率。左垂直軸502的下半部分代表電池20向負載 提供功率或釋放功率。跡線504代表負載功率且參照左垂直軸502。跡線506 代表預(yù)測電池功率極限PuM且參照左垂直軸502。預(yù)測的電池功率極限PuM 是根據(jù)方法400確定出的。第一對點508-1、第二對點502-2和第三對點508-3，統(tǒng)稱為對點508， 示出了預(yù)測電池功率極限PuM和實際電池功率之間的關(guān)系。每對點508的左 邊的點示出預(yù)測電池功率極限PuM。每對點508的右邊的點示出到達相應(yīng)預(yù) 測電池功率極限PUM的實際功率。右垂直軸510以伏特為單位按比例繪制。用于產(chǎn)生圖5的樣點曲線圖的 電池具有VUM = 9V的電池電壓極限。電池電壓跡線512表示測量出的電池 電壓V。預(yù)測電池功率極限PuM為主控制器40提供充分的時間來控制電池 20和內(nèi)燃機之間的負載共享，由此保持測量的電池電壓高于9V?，F(xiàn)在參考圖6A-6C，示出了混合動力電動汽車(HEV)的各個實施例。 本發(fā)明可以在結(jié)合到HEV中的電池系統(tǒng)中實施。圖6A示出了并聯(lián)結(jié)構(gòu)HEV 600的功能框圖。HEV 600包括內(nèi)燃機602和電動機604。內(nèi)燃機602包括 向傳動裝置608提供旋轉(zhuǎn)動力的輸出軸606。發(fā)電機610被內(nèi)燃機602驅(qū)動， 且向電池系統(tǒng)IO提供充電電流。MCM40對控制信號進行控制并且/或?qū)⒖?制信號發(fā)送到電子控制模塊(ECM) 612。 ECM612基于來自MCM40的控 制信號控制內(nèi)燃機602。電動機604將來自電池系統(tǒng)200的功率轉(zhuǎn)換成機械功率。該機械功率被 應(yīng)用于傳動裝置608的輸入軸。傳動裝置608將來自內(nèi)燃機602和電動機604 的功率組合起來，以向驅(qū)動輪軸614提供功率?，F(xiàn)在參考圖6B，示出了串聯(lián)結(jié)構(gòu)的HEV620的功能框圖。HEV 620包 括驅(qū)動發(fā)電機610的內(nèi)燃機602。發(fā)電機610向電池系統(tǒng)IO提供充電電流。iiMCM 40產(chǎn)生被傳送給ECM 612的控制信號。電動機604從電池系統(tǒng)200 接收功率?，F(xiàn)在參考圖6C，示出了間接串聯(lián)結(jié)構(gòu)的HEV 650的功能框圖。內(nèi)燃機 602向第二驅(qū)動輪軸632和發(fā)電機610提供功率。發(fā)電機610向電池系統(tǒng)10 提供充電電流。電動機604向驅(qū)動輪軸614提供功率。MCM40協(xié)調(diào)內(nèi)燃機 602和電動機604的操作，以推動汽車?，F(xiàn)在參考圖7，示出了補給電源640的功能框圖。負載642從公用電線 644接收功率。負載642還可從電池系統(tǒng)10接收電池功率。變流器644將電 池電能轉(zhuǎn)換成交變電流。相位匹配網(wǎng)絡(luò)646匹配來自變流器644的功率的相 位和來自公用電線644的功率的相位。MCM 40可以包括監(jiān)控功率不足的負 載642的輸入端650。 MCM40基于功率不足來控制電池系統(tǒng)10。根據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的概括性教導(dǎo)可以以 各種形式實施。因此，盡管結(jié)合本發(fā)明的特定示例來對本發(fā)明進行描述，但 本發(fā)明的真實范圍不因此受限。因為在研究了附圖、說明書和權(quán)利要求書后， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯見其他修改。
權(quán)利要求
1. 一種與電池一起使用的電池控制模塊，包括測量電池電壓的電壓測量模塊；測量電池電流的電流測量模塊；以及功率極限模塊，與該電流測量模塊和電壓測量模塊通信且在每個時間周期估算一次與未來時間周期對應(yīng)的電池電流極限，其中該電池電流極限基于電池的預(yù)定電壓極限，并基于與未來時間周期之前的時間周期相對應(yīng)的電池電流和電池電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中所述功率極限模塊周期 性地基于所述電池電流極限來估算功率極限。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池控制模塊，其中所述功率極限模塊估算 所述電池的極化電壓，且基于該極化電壓估算所述電池電流極限。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池控制模塊，其中所述功率極限模塊將所 述極化電壓初始化為預(yù)定值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池控制模塊，其中所述功率極限模塊在每 個時間周期估算一次所述極化電壓和所述電池電流極限。
6. —種用于負載的混合電源系統(tǒng)，包括 第一電源，其基于功率需求信號向所述負載提供功率； 可充電電池，其向所述負載提供功率；以及 控制模塊，其與所述可充電電池通信，該控制模塊包括測量電池電壓的電壓測量模塊； 測量電池電流的電流測量才莫塊；以及 與該電流測量模塊和電壓測量模塊通信的功率極P艮模塊， 其中該功率極限^f莫塊基于所述電池的電池電流、電池電壓以及預(yù)定 電壓極限來估算電池電流極限，并且其中所述功率極限模塊基于所述電池電流極限來產(chǎn)生所述功率需求信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述功率極限模塊基于 所述電池電流極限來估算功率極限。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述功率極限模塊還基 于所述可充電電池的極化電壓來估算所述電池電流極限。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述第一功率源包括內(nèi) 燃機。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的混合電源系統(tǒng)，其中所述第一功率源包括電 氣電源。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池控制模塊，其中所述可充電電池包括鎳 氫電池。
12. —種用于對從電池獲取的電流進行控制的方法，包括 測量電;也電壓；測量電池電流；以及周期性地估算對應(yīng)于未來時間周期且代表流經(jīng)該電池的最大允許電池 電流的電池電流^l限，其中該電池電流才及限基于所述電池的測量出的電池電 流、測量出的電池電壓和預(yù)定電壓極限。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括基于預(yù)測出的電池電流極限 來估算所述電池可以傳輸?shù)淖畲蠊β省?br> 14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述電池電流極限還基于所述 電池的極化電壓。
15. —種用于控制混合電源系統(tǒng)的方法，包括 操作第一功率源，以基于功率需求信號向負載提供功率； 從可充電電池向該負載供給功率；測量該可充電電池的電池電壓； 測量該可充電電池的電池電流；周期性估算與未來時間周期相對應(yīng)且代表流經(jīng)電池的最大允許電池電 流的電池電流才及限；以及基于估算出的電池電流極限產(chǎn)生所述功率需求信號，其中所述電池電流 極限基于所述電池的測量出的電池電流、測量出的電池電壓和預(yù)定電壓極 限。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括基于估算出的電池電流極限 來估算所述電池的最大功率。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述電池電流極限還基于所述 電池的極化電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括將所述極化電壓初始化為預(yù) 定值。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述功率極限模塊在每個時間 周期估算一次所述極化電壓和所述電池電流極限。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一功率源包括內(nèi)燃機。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一功率源包括電氣電源。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述可充電電池包括鎳氫電池。
23. —種用于混合電動汽車的動力系統(tǒng)，包括 可充電電池，其向電動才幾提供功率以用于推動該汽車； 內(nèi)燃機，其產(chǎn)生用于推動該汽車的功率；發(fā)動機控制器，其響應(yīng)于功率需求信號起動所述內(nèi)燃機；以及 控制模塊，其與所述可充電電池通信，該控制模塊包括 測量電池電壓的電壓測量模塊；測量電池電流的電流測量模塊；以及與該電流測量模塊和電壓測量模塊通信的功率極限模塊，其中該功率極限模塊周期性地確定對應(yīng)于未來周期和基于該電池 電力t和電池電壓的電池電;危纟及P艮；并且其中所述功率極限模塊基于所述電池電流極限產(chǎn)生所述功率需求 信號，使得所述發(fā)動機控制器在所述未來周期之前起動所述內(nèi)燃機。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的動力系統(tǒng)，其中所述功率極限模塊基于所 述電池電流極限來確定功率極限。
全文摘要
一種與電池一起使用的電池控制模塊，包括測量電池電壓的電壓測量模塊和測量電池電流的電流測量模塊。功率極限模塊與該電流和電壓測量模塊通信，且在每個時間周期估算一次對應(yīng)于未來時間周期的電池電流極限。該電池電流極限基于該電池的預(yù)定電壓極限，還基于與未來時間周期之前的時間周期相對應(yīng)的電池電流和電池電壓。
文檔編號G01R31/36GK101506677SQ200780030357
公開日2009年8月12日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者羅伯特·J·梅利查 申請人:科巴西斯有限責任公司